高速DSP系統的電路板級電磁兼容性設計

　　隨著高速DSP技術的廣泛應用，相應的高速DSP的PCB設計就顯得十分重要。由于DSP是一個相當復雜、種類繁多并有許多分系統的數、?；旌舷到y，所以來自外部的電磁輻射以及內部元器件之間、分系統之間和各傳輸通道間的串擾對DSP及其數據信息所產生的干擾，已嚴重地威脅著其工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。據統計，干擾引起的DSP事故占其總事故的90%左右。因此設計一個穩(wěn)定、可靠的DSP系統，電磁兼容和抗干擾至關重要。

　　1 DSP的電磁干擾環(huán)境

　　電磁干擾的基本模型由電磁干擾源、耦合路徑和接收機3部分組成，如圖1所示。

　　電磁干擾源包含微處理器、微控制器、靜電放電、瞬時功率執(zhí)行元件等。隨著大量高速半導體器件的應用，其邊沿跳變速率非?？?，這種電路可以產生高達300 MHz的諧波干擾。耦合路徑可以分為空間輻射電磁波和導線傳導的電壓與電流。噪聲被耦合到電路中的最簡單方式是通過導體的傳遞，例如，有一條導線在一個有噪聲的環(huán)境中經過，這條導線通過感應接收這個噪聲并且將其傳遞到電路的其他部分，所有的電子電路都可以接收傳送的電磁干擾。例如，在數字電路中，臨界信號最容易受到電磁干擾的影響;模擬的低級放大器、控制電路和電源調整電路也容易受到噪聲的影響。

　　2 DSP電路板的布線和設計

　　良好的電路板布線在電磁兼容性中是一個非常重要的因素，一個拙劣的電路板布線和設計會產生很多電磁兼容問題，即使加上濾波器和其他元器件也不能解決這些問題。

　　正確的電路布線和設計應該達到如下3點要求：

　　(1)電路板上的各部分電路之間存在干擾，電路仍能正常工作;

　　(2)電路板對外的傳導發(fā)射和輻射發(fā)射盡可能低，達到有關標準要求;

　　(3)外部的傳導干擾和輻射干擾對電路板上的電路沒有影響。

　　2.1 元器件的布置

　　(1)元器件布置的首要問題是對元器件進行分組。元器件的分組原則有：按電壓不同分;按數字電路和模擬電路分;按高速和低速信號分和按電流大小分。一般情況下都按照電壓不同分或按數字電路與模擬電路分。

　　(2)所有的連接器都放在電路板的一側，盡量避免從兩側引出電纜。

　　(3)避免讓高速信號線靠近連接器。

　　(4)在元器件安排時應考慮盡可能縮短高速信號線，如時鐘線、數據線和地址線等。

　　2.2 地線和電源線的布置

　　地線布置的最終目的是為了最小化接地阻抗，以此減小從電路返回到電源之間的接地回路電勢，即減小電路從源端到目的端線路和地層形成的環(huán)路面積。通常增加環(huán)路面積是由于地層隔縫引起的。如果地層上有縫隙，高速信號線的回流線就被迫要繞過隔縫，從而增大了高頻環(huán)路的面積，如圖2所示。

　　圖2中高速線與芯片之間進行信號傳輸。圖2(a)中沒有地層隔縫，根據“電流總是走阻抗最小的途徑”，此時環(huán)路面積最小。圖2(b)中，有地層隔縫，此時地環(huán)路面積增大，這樣就產生如下后果：

　　(1)增大向空間的輻射干擾，同時易受空間磁場的影響;

　　(2)加大與板上其他電路產生磁場耦合的可能性;

　　(3)由于環(huán)路電感加大，通過高速線輸出的信號容易產生振蕩;

　　(4)環(huán)路電感上的高頻壓降構成共模輻射源，并通過外接電纜產生共模輻射。

　　通常地層上的隔縫不是在分地時、有意識地加上的，有時隔縫是因為板上的過孔過于接近而產生的，因此在PCB設計中應盡量避免該種情況發(fā)生。

　　電源線的布置要和地線結合起來考慮，以便構成特性阻抗盡可能小的供電線路。為了減小供電用線的特性阻抗，電源線和地線應該盡可能的粗，并且相互靠近，使供電回路面積減到最小，而且不同的供電環(huán)路不要相互重疊。在集成芯片的電源腳和地腳之間要加高頻去耦電容，容量為O.01～O.1μF，而且為了進一步提高電源的去耦濾波的低頻特性，在電源引入端要加上1個高頻去耦電容和1個1～10μF的低頻濾波電容。

　　在多層電路板中，電源層和地層要放置在相鄰的層中，從而在整個電路板上產生一個大的PCB電容消除噪聲。速度最快的關鍵信號和集成芯片應當布放在臨近地層一邊，非關鍵信號則布放在靠近電源層一邊。因為地層本身就是用來吸收和消除噪聲的，其本身幾乎是沒有噪聲的。

　　2.3 信號線的布置

　　不相容的信號線之間能產生耦合干擾，所以在信號線的布置上要把它們隔離，隔離時采取的措施有：

　　(1)不相容信號線應相互遠離，不要平行，分布在不同層上的信號線走向應相互垂直，這樣可以減少線間的電場和磁場耦合干擾;

　　(2)高速信號線特別是時鐘線要盡可能的短，必要時可在高速信號線兩邊加隔離地線;

　　(3)信號線的布置最好根據信號流向順序安排，一個電路的輸入信號線不要再折回輸入信號線區(qū)域，因為輸入線與輸出線通常是不相容的。

　　當高速數字信號的傳輸延時時間Td>Tr(Tr為信號的脈沖上升時間)時，應考慮阻抗匹配問題。因為錯誤的終端阻抗匹配將會引起信號反饋和阻尼振蕩。通常線路終端阻抗匹配的方法有串聯源端接法、并聯端接法、RC端接法、Thevenin端接法4種。

　　(1)串聯源端接法

　　圖3為串聯源端接電路。

　　源端阻抗Zs和分布在傳輸線上的阻抗Zo之間，加上源端接電阻Rs，用來完成阻抗匹配，Rs還能吸收負載的反饋。這里的Rs必須離源端盡可能的近，理論上應為Rs=Zo-Zs中的實數值。一般Rs取15～75Ω。

　　(2)并聯端接法

　　圖4為并聯端接電路。附加1個并聯端電阻Rp，這樣Rp與ZL并聯后就與Zo相匹配。這個方法需要源驅動電路來驅動一個較高的電流，能耗很高，所以在功耗小的系統中不適用。

　　(3)RC端接法

　　圖5為RC端接電路。該方法類似于并聯端接電路，但引入了電容C1，此時R用于提供匹配Zo的阻抗。C1為R提供驅動電流并過濾掉從傳輸線到地的射頻能量。因此與并聯端接方法相比，RC端接電路需要的源驅動電流更少。R和C1的值由Zo，Tpd(環(huán)路傳輸延遲)和終端負載電容值Cd決定。時間為常數，RC=3Tpd，其中R∥ZL=Zo，C=C1∥Cd。

　　(4)Thevenin端接法

　　圖6為Thevenin端接電路。該電路由上拉電阻R1和下拉電阻R2組成，這樣就使邏輯高和邏輯低與目標負載相符。其中，R1和R2的值由R1∥R2=Zo決定，R1+R2+ZL的值要保證最大電流不能超過驅動電路容量。

　　3 結語

　　本文通過對電子產品電磁環(huán)境的分析，確定高速DSP系統中產生干擾的主要原因，并針對這些原因，通過對高速DSP系統的多層板布局、器件布局以及PCB布線等方面進行分析，給出有效降低DSP系統的干擾、提高電磁兼容性能的措施。從設計層次保證了高速DSP系統的有效性和可靠性。合理布局設計，減少噪聲，降低干擾，避開不必要的失誤，對系統性能的發(fā)揮起到不可低估的作用。